第8章生物氧化

第八

章生物氧化Biologicaloxidation概述1、生物氧化的概念2、生物氧化的过程3、生物氧化的特点4、生物氧化的方式1、生物氧化的概念

生物氧化（BiologicalOxidation）

物质在生物体内氧化分解的过程称为生物氧化，主要是指糖、脂肪、蛋白质等有机物在生物体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。

生物氧化的主要生理意义是为生物体提供能量。糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2

2、生物氧化的过程3、生物氧化的特点

体内氧化体外氧化（1）物质氧化方式：加氧、脱氢、失电子（2）物质氧化时消耗的氧量、得到的产物和能量相同。

1、相同点

2、不同点

体内氧化体外氧化（1）反应条件：温和剧烈（2）反应过程：分步反应一步反应

能量逐步释放能量突然释放（3）产物生成：间接生成直接生成（4）能量形式：ATP、热能

热能、光能

4、生物氧化的方式

脱氢加氧失电子1、脱氢有机物脱去氢原子的过程。有直接脱氢和加水脱氢两种。（1）直接脱氢如：乳酸生成丙酮酸的过程

如：酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。O–O–（2）加水脱氢

2、加氧反应物质分子中直接加入氧分子或氧原子的过程。

如：

甲烷单加氧酶

CH4+O2CH3-OH+H2ONADH+H+NAD+

3、失电子从作用物分子中脱下一个电子，从而使原子或离子正价增加的氧化过程。

HH++e

cytb-Fe2+cytc1-Fe3+

如：e

cytb-Fe3+

cytc1-Fe2+第一节氧化呼吸链是由具有电子

传递功能的复合体组成

一、氧化呼吸链

1、氧化呼吸链的概念

2、氧化呼吸链的组成

3、氧化呼吸链的排列顺序一系列酶和辅酶按照一定的顺序排列在线粒体内膜上，可以将代谢物脱下的氢（H＋＋e）逐步传递给氧生成水同时释放能量，由于此过程与细胞摄取氧的呼吸过程有关，所以这一传递链称为氧化呼吸链,也称为电子传递链（electrontransferchain）。

组成：

递氢体电子传递体1、氧化呼吸链(oxidativerespiratorychain)：2、呼吸链的组成四个蛋白复合体：复合体I～IV两个可灵活移动的成分：泛醌（Q）和细胞色素C人线粒体呼吸链复合体Cytc（膜间隙侧）血红素a，a3，CuA,CuB13162细胞色素C氧化酶复合体ⅣCytc1，Cyta血红素c113细胞色素cCytc（膜间隙侧）血红素bL,bH,c1,Fe-S11250泛醌-细胞色素C还原酶复合体Ⅲ琥珀酸（基质侧）CoQ（脂质核心）FAD，Fe-S4140琥珀酸-泛醌还原酶复合体ⅡNADH（基质侧）CoQ（脂质核心）FMN，Fe-S42850NADH-泛醌还原酶复合体Ⅰ含结合位点功能辅基多肽链数质量(kD)酶名称复合体泛醌和细胞色素C不包含在上述四种复合体中。ⅣCytcoxNADH+H+NAD+1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜ⅠQH2Q

Ⅱ延胡索酸琥珀酸QH2Q

4H+4H+Ⅲ4H+4H+CytcoxCytcredCytcred2H+2H+电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置复合体Ⅰ电子传递：NADH→FMN→Fe-S→CoQ→Fe-S→CoQ

每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体Ⅰ有质子泵功能。

复合体ⅠNADH-泛醌还原酶功能:将电子从NADH传递给泛醌(ubiquinone)NADP+NAD+

NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。黄素蛋白(flavoprotein):一种递氢体

即黄素酶，以FMN或FAD为辅基的酶。

如：

NADH脱氢酶(FMN)、琥珀酸脱氢酶(FAD)

脂酰COA脱氢酶(FAD)、α-磷酸甘油脱氢酶(FAD)FMN黄素单核苷酸辅基

FAD黄素腺嘌呤二核苷酸FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMNH·。在可逆的氧化还原反应中显示3种分子状态，属于单、双电子传递体。

铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+Fe3++e

可逆反应传递电子。属于单电子传递体。

Ⓢ表示无机硫铁硫蛋白SS无机硫半胱氨酸硫泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。

复合体Ⅰ的功能复合体Ⅱ是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，故又称琥珀酸-泛醌还原酶。电子传递：琥珀酸→FAD→几种Fe-S→CoQ复合体Ⅱ没有H+泵的功能。

复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶功能:将电子从琥珀酸传递给泛醌

复合体Ⅲ泛醌-细胞色素C还原酶复合体Ⅲ是细胞色素b-c1复合体，含有细胞色素b(b562,b566)、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白。泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体Ⅲ。电子传递过程:CoQH2→(CytbL→Cyt

bH)→Fe-S→Cytc1→Cytc

功能：将电子从泛醌传递给细胞色素C细胞色素特点：以铁卟啉为辅基，催化电子传递，均有特殊吸收光谱而呈现颜色。分类：根据吸收光谱不同，参与呼吸链组成的细胞色素有Cyta,Cytb,Cytc三类，每一类又因其最大吸收峰的细微差别再分为几种亚类。各细胞色素所含铁卟啉(Cytb)(Cytc)(Cyta)

Cytc中铁卟啉与蛋白质的连接Cytc呈水溶性,分子质量较小与线粒体内膜外表面结合不紧密易与线粒体内膜分离功能：将电子从细胞色素C传递给氧电子传递：Cyt

c→CuA→Cyt

a→Cyta3–CuB→O2Cyta3–CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移。复合体Ⅳ细胞色素C氧化酶复合体Ⅳ的电子传递过程3、呼吸链成分的排列顺序呼吸链成分的排列顺序试验依据Ⅰ根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位原理：递电子体与电子亲和力大小与标准还原电位高低有关。还原电位越低，与电子亲和力越弱，越易失电子。因此，呼吸链中电子传递方向应为还原电位由低到高的顺序。氧化还原对E0‘(V)氧化还原对E0‘(V)NAD+/NADH+H+－0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2－0.219CytcFe3+/Fe2+0.254FAD/FADH2－0.219CytaFe3+/Fe2+0.29Cyt

bL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyta3Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.061/2O2/H2O0.816呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位

Ⅱ利用呼吸链特异的抑制剂阻断某一组分的电子传递，阻断部位前组分为还原态，后面组分为氧化态，根据吸收光谱改变进行检测还原态氧化态Ⅲ利用呼吸链各组分特有的吸收光谱，以离体线粒体无氧时处于还原态作为对照，缓慢给氧，观察各组分被氧化的顺序Ⅳ

体外将呼吸链拆开和重组两条呼吸链NADH氧化呼吸链：由复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成，是最主要的。琥珀酸氧化呼吸链（FADH2氧化呼吸链）：由复合体Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成。NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链第二节

氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化偶联生成ATP

氧化磷酸化

(oxidativephosphorylation)定义：在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化生成ATP的过程称氧化磷酸化(oxidativephosphorylation),又称偶联磷酸化。

氧化磷酸化是体内生成ATP的主要方式,是维持生命活动所需能量的主要来源。

底物水平磷酸化

细胞内还有一种直接将代谢物分子中的能量转移至ADP(或GDP)，生成ATP(或GTP)的过程，称为底物水平磷酸化。

目前，有三种酶催化的是底物水平磷酸化反应，分别是磷酸甘油酸激酶、丙酮酸激酶、琥珀酰CoA合成酶。

ADPATP（1）1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸

胞液

ADPATP（2）磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸

GDP+PiGTP

线（3）琥珀酸单酰COA琥珀酸+HSCOA粒

GTP+ADPGDP+ATP体

底物水平磷酸化反应

一、确定氧化磷酸化偶联部位的实验依据根据P/O比值自由能变化:⊿Gº'=-nF⊿Eº'氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值底物呼吸链的组成P/O比值可能生成的ATP数β-羟丁酸NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ2.5

2.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ

1.51.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→O20.881细胞色素c(Fe2+)复合体Ⅳ→O20.61-0.6811、P/O比值指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的摩尔数(或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数)。2、自由能变化根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化(△G)与还原电位变化(△E)之间有以下关系：n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/mol·V)△G=-nF△E电子传递链自由能变化区段电位变化(⊿E)自由能变化⊿G=-nF⊿E能否生成ATP(⊿G是否大于30.5KJ)Cytaa3~O20.58V112KJ/mol

能NAD+~CoQ0.36V69.5KJ/mol

能CoQ~Cytc0.19V36.7KJ/mol

能ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位

二、氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)

电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧，而线粒体内膜不允许质子自由回流，因此产生膜内外质子电化学梯度(H+浓度梯度和跨膜电位差)，以此储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。

ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+Pi

ATP4H+2H+4H+胞液侧

基质侧++++++++++---------电子传递过程复合体Ⅰ(4H+)、Ⅲ(4H+)和Ⅳ(2H+)有质子泵功能。

三、质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用催化ATP合成

F1：亲水部分

(动物：α3β3γδε亚基复合体，OSCP、IF1

亚基)，线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成。

F0：疏水部分(ab2c9~12亚基，动物还有其他辅助亚基)，镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道。ATP合酶结构组成F1(亲水部分)由α3β3γδε组成催化ATP生成

F0(疏水部分)质子通道

ATP合酶结构特点当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。ATP合成的结合变构机制

(bindingchangemechanism)

α:调节亚基β:催化亚基γδε:H+通道ATP合酶的工作机制αβ催化亚单位的三种构象：L疏松型结合ADP+PiT

紧密型

生成ATPO

开放型释放ATPADP+PiATPATPADP+PiBoyer

的诱导契合学说四、ATP在能量代谢中起核心作用ATP的结构ATP的功能为体内各种生理活动提供能量，形成磷酸酯类中间代谢物参与酶的共价修饰。高能磷酸键与高能磷酸化合物高能磷酸键：

磷酸化合物水解时释放的能量大于25KJ/mol的磷酸酯键，常表示为~P。高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物(－5.0)－20.91-磷酸葡萄糖(－6.6)－27.6焦磷酸(－6.6)－27.6ADP→AMP＋Pi(－7.5)－31.5乙酰辅酶A(－7.3)－30.5ATP→ADP＋Pi(－10.3)－43.1磷酸肌酸(－11.8)－49.31，3-二磷酸甘油酸(－12.3)－51.4氨基甲酰磷酸(－14.8)－61.9磷酸烯醇式丙酮酸(kcal/mol)kJ/mol△E0′化合物一些重要有机磷酸化合物水解释放的标准自由能各种高能磷酸化合物的生成UDPATPUTPADPCDPATPCTPADPGDPATPGTPADPADPADPATPAMP腺苷酸激酶(adenylatekinase)二磷酸核苷酸激酶肌酸激酶的作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。

ATP的生成和利用ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。第三节

氧化磷酸化的影响因素一、体内能量状态可调节氧化磷酸化速率

ADP浓度增高，氧化磷酸化速度加快；

ADP不足，氧化磷酸化速度减慢。

二、有3类氧化磷酸化抑制剂1、呼吸链抑制剂阻断氧化磷酸化的电子传递过程复合体Ⅰ抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidinA)及异戊巴比妥(amobarbital)等阻断传递电子到泛醌。复合体Ⅱ抑制剂：萎锈灵(carboxin)。复合体Ⅲ抑制剂：抗霉素A(antimycinA)阻断Cyt

bH传递电子到泛醌(QN)

。复合体Ⅳ抑制剂：CN－、N3－紧密结合氧化型Cyta3，阻断电子由Cyta到CuB-Cyta3间传递。CO与还原型Cyta3结合，阻断电子传递给O2。

化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥×抗霉素A二巯基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各种呼吸链抑制剂的阻断位点2、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联相互分离，基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制。如：二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP)；解偶联蛋白(uncouplingprotein，UCP1)。位于棕色脂肪组织中的线粒体中解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+Pi

ATP

3、ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素(oligomycin)可结合F0单位，二环己基碳二亚胺(DCCP)共价结合F0的c亚基谷氨酸残基，阻断质子从F0质子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。

寡霉素(oligomycin)寡霉素ATP合酶结构模式图可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。

诱导细胞膜上Na+,K+-ATP酶的生成，使ATP加速分解为ADP和Pi，ADP增多，促进氧化磷酸化。

三、甲状腺激素可促进氧化磷酸化和产热线粒体DNA(mtDNA)的特点：呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，易受本身氧化磷酸化产生的氧自由基的损伤而突变。

四、线粒体DNA突变可影响氧化磷酸化功能

影响呼吸链氧化磷酸化复合体中多肽链的生物合成，使ATP生成减少而致病。五、线粒体内膜对各种物质进行选择性转运线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。肉碱脂酰肉碱肉碱转运蛋白瓜氨酸鸟氨酸碱性氨基酸转运蛋白柠檬酸苹果酸三羧酸转运蛋白OH-丙酮酸单羧酸转运蛋白天冬氨酸谷氨酸天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白α-酮戊二酸苹果酸α-酮戊二酸转运蛋白苹果酸HPO42-二羧酸转运蛋白H2PO4-+H+磷酸盐转运蛋白ATP4-ADP3-AT